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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Diplomarbeit aus dem Jahr 2006 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Fahrzeugtechnik, Note: 1,0, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig (Fahrzeugtechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Welcher Autofahrer kennt es in der heutigen Zeit nicht, den Anblick der an Straßenrändern emporragenden Preistafeln von Tankstellen, die uns nahezu Tag täglich neue Spitzenrekorde aufzeigen? Auf dem Weg unaufhörlich steigender Kraftstoffpreise befinden wir uns in einer Zeit, in der es gerade in Deutschland bereits vielen aus finanzieller Sicht schwer fällt, ihr Fahrzeug zu benutzen bzw. zu bewegen, und doch werden sie sich auch in Zukunft nicht ohne weiteres von der Abhängigkeit dessen befreien können. Nicht nur aus diesem Grund, sondern auch aus umweltrelevanter Dringlichkeit ist die Automobilindustrie bemüht und dazu verpflichtet, durch Innovationen im Bereich der Motor- sowie Fahrzeugtechnik die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen durch Lösungen zur Verbrauchsreduzierung zu verbessern. Aus vielen Quellen erfährt man aber auch, dass der Fahrer selbst durch entsprechendes Verhalten und seine Fahrweise entscheidend zur Verbrauchssenkung seines Fahrzeugs beitragen kann. Da die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen unter anderem durch die in den letzten Jahren erfahrene Zunahme und Akzeptanz von Fahrerassistenzsystemen (FAS) profitiert, wird in dieser Arbeit ein Verbrauchsassistent (VA) entworfen / entwickelt, der den Fahrer dabei unterstützen soll, sein Fahrzeug verbrauchsoptimal zu führen. Einführend wird hierzu der dringende Handlungsbedarf hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung verdeutlicht. Eingriffsmöglichkeiten werden anhand motorischer sowie fahrzeugdynamischer Grundlagen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen erläutert. Nach dem umrissenen Stand der Technik zu Verbrauchsassistenten wird dargestellt, welche Arten der Realisierung eines Verbrauchsassistenten als FAS prinzipiell möglich sind. Anhand der Diskussion von Verhaltenstypologien im Straßenverkehr wird der Entwurf des Verbrauchsassistenten konzeptioniert. Dessen Funktionen bzw. Funktionsweisen sowie mögliche konstruktive Umsetzungen in einem Fahrzeug werden konkretisiert und erläutert. Im Kapitel 7 wird ein als Bezugsfahrzeug gewählter BMW 528 i in seinen technischen Daten vorgestellt, für den die verbrauchsoptimalen Betriebszustände nach eigenen Ansätzen hergeleitet und für die Modellierung des Verbrauchsassistenten (MatLab) als Grundlage verwendet werden. Der Effizienznachweis des VA wird schließlich an Simulationsergebnissen gezeigt und diskutiert. Zukünftige Verbesserungen, Erweiterungen sowie Ausblicke schließen die Ausarbeitung ab.
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Veröffentlichungsjahr: 2009
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ABBILDUNGSVERZEICHNIS
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TABELLENVERZEICHNIS
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VERWENDETE FORMELZEICHEN
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ABKÜRZUNGEN UND INDIZES
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VA - MODELLSIGNALE UND BEZEICHNUNGEN
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Einleitende Worte
Welcher Autofahrer kennt es in der heutigen Zeit nicht, den Anblick der an Straßenrändern emporragenden Preistafeln von Tankstellen, die uns nahezu Tag täglich neue Spitzenrekorde aufzeigen? Auf dem Weg unaufhörlich steigender Kraftstoffpreise befinden wir uns in einer Zeit, in der es gerade in Deutschland bereits vielen aus finanzieller Sicht schwer fällt, ihr Fahrzeug zu benutzen bzw. zu bewegen, und doch werden sie sich auch in Zukunft nicht ohne weiteres von der Abhängigkeit dessen befreien können.
Nicht nur aus diesem Grund, sondern auch aus umweltrelevanter Dringlichkeit ist die Automobilindustrie bemüht und dazu verpflichtet, durch Innovationen im Bereich der Motor- sowie Fahrzeugtechnik die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen durch Lösungen zur Verbrauchsreduzierung zu verbessern. Aus vielen Quellen erfährt man aber auch, dass der Fahrer selbst durch entsprechendes Verhalten und seine Fahrweise entscheidend zur Verbrauchssenkung seines Fahrzeugs beitragen kann.
Da die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen unter anderem durch die in den letzten Jahren erfahrene Zunahme und Akzeptanz von Fahrerassistenzsystemen (FAS) profitiert, wird in dieser Arbeit ein Verbrauchsassistent (VA) entworfen, der den Fahrer dabei unterstützen soll, sein Fahrzeug verbrauchsoptimal zu führen.
Einführend wird hierzu inKapitel 1der dringende Handlungsbedarf hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung verdeutlicht. DieKapitel 2 und 3werden anschließend die Eingriffsmöglichkeiten anhand motorischer sowie fahrzeugdynamischer Grundlagen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen erläutern. Nach dem umrissenen Stand der Technik zu Verbrauchsassistenten wirdKapitel 4darstellen, welche Arten der Realisierung eines Verbrauchsassistenten als FAS prinzipiell möglich sind. Anhand der Diskussion von Verhaltenstypologien im Straßenverkehr wirdKapitel 5mit einem Konzept für den Entwurf des Verbrauchsassistenten abschließen, dessen Funktionen bzw. Funktionsweisen sowie mögliche konstruktive Umsetzungen in einem Fahrzeug inKapitel 6konkretisiert und erläutert werden. Im anschließendenKapitel 7wird ein als Bezugsfahrzeug gewählter BMW 528 i in seinen technischen Daten vorgestellt, für den die verbrauchsoptimalen Betriebszustände nach eigenen Ansätzen hergeleitet und für die Modellierung des Verbrauchsassistenten inKapitel 8als Grundlage verwendet werden. Der Effizienznachweis des entworfenen Systems erfolgt schließlich inKapitel 9,in dem Simulationsergebnisse dargelegt und diskutiert werden. Das letzteKapitel 10stellt zukünftige Verbesserungen, Erweiterungen sowie Ausblicke vor und schließt mit einer schlussfolgernden Zusammenfassung ab.
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1 Einführung
1.1 Die Mobilität
Die Mobilität hat sich über die Jahre zum wichtigsten, selbstverständlichen und unverzichtbaren Luxus der Menschheit entwickelt. Tag täglich ist die Gesellschaft auf die Mobilität angewiesen und von ihr abhängig, bedenkt man zum Beispiel nur den Transport von Lebensmitteln und anderen lebensnotwendigen Gütern. Daneben spielt aber die Mobilität der einzelnen Menschen (motorisierterIndividualverkehr)mittlerweile eine übergeordnete Rolle, sei es beim Erreichen von Arbeits- und Freizeitstätten oder beim Einkaufen, Reisen oder Besuchen entfernt wohnender Familienangehörigen.
Einen Überblick über die Entwicklung der Mobilität von 1950 - 2003 in Deutschland zeigt das Diagramm inBild 1.1.1.Die Aufteilung des deutschen Personenverkehrs im Jahr 2002 geht aus der Darstellung inBild 1.1.2hervor. In den Diagrammen sichtbar ist der mit Abstand am stärksten vertretene Verkehrszweig des motorisierten Individualverkehrs.
Fahrzeuge
3in 10
50000
40000
30000
20000
10000
0
1950
Bild 1.1.1.: Mobilitätsentwicklung 1950 - 2003 anhand zulassungspflichtiger Fahrzeuge
in Deutschland nach [4, 5]
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Bild 1.1.2.: Deutschlands Personenverkehr im Jahr 2002 (außerLuftverkehr),nach [4]
Für das Verkehrswachstum sind unter anderem verantwortlich [6] :
- die EU - Osterweiterung
- Produktionsstrukturen, Unternehmensstrukturen
- der Trend zur Individualisierung
- die Zunahme des Freizeitverkehrs
- wachsende Distanzen (Aktionsradien)
- die Funktionstrennung von Wohnen, Freizeit, Einkauf
- das Wirtschaftswachstum
1.2 Negative Auswirkungen des Verkehrs
Neben gesellschaftlichen und infrastrukturellen Vorteilen zeigt der Verkehr nennenswerte negative Auswirkungen auf die Umwelt, die hauptsächlich durch die Abgasemission konventionell angetriebener Kraftfahrzeuge mittels Otto- und Dieselmotoren verursacht werden. Im Vordergrund der Betrachtungen stehen hier hauptsächlich die gesetzlich limitierten Abgasschadstoffe Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NOX) und Ruß sowie die klimarelevante Emission von Kohlenstoffdioxid (CO2). Verstärkt durch den Verkehrswachstum sind diese für die unaufhörlich steigende Umweltbelastung und Klimaerwärmung mitverantwortlich [7, 8].
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Die kritische Entwicklung der globalen Umweltsituation erfordert daher nicht nur aus aktuellen Anlässen wie z. B. den Klimakatastrophen in den USA einerseits immer strenger werdende gesetzliche Abgasverordnungen. Neben den Bemühungen zur Schadstoffabsenkung schenkt man in den letzten Jahren andererseits der Limitierung des CO2- Ausstoßes vermehrte Aufmerksamkeit. So unterzeichneten bisher mehr als 180 Länder bzw. Staaten das 1997 verabschiedete und 2005 in Kraft getretene Abkommen zur Verminderung von Treibhausgasen auf der Weltklimakonferenz in Kyoto (Kyoto- Protokoll)[10]. Vor allem der Anteil des Kohlendioxids von etwa 84 % an den durch menschliche Aktivitäten verursachten Treibhausgasen ist dabei vordergründig zu behandeln. So hat sich beispielsweise die Bundesrepublik Deutschland dazu verpflichtet bzw. zum Ziel gesetzt, die CO2-Emission um 21 % gegenüber dem Niveau von 1990 zu senken [10]. Aufgrund der Tatsache, dass ein relevanter Anteil der CO2- Emission durch den Bereich „Verkehr“ verursacht wird, verpflichten sich unter anderem europäische Automobilhersteller zu einer deutlichen Absenkung des Kohlendioxidausstoßes [11].
Zur Verdeutlichung der immer strenger werdenden Abgasvorschriften für PKWs mit Otto- und Dieselmotoren in Europa dienen die Diagramme inBild 1.2.1undBild 1.2.2.Die Verteilung der CO2- Emission Deutschlands im Jahre 2002 zeigt das Diagramm inBild 1.2.3.
Dieselmotor
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Bild 1.2.3.: Verteilung der CO2- Emission in Deutschland 2002, nach [11]
1.3 Die Vorteile eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs
Zur Erfüllung der Abgasvorschriften wurden in den letzten Jahren verschiedene Maßnahmen entwickelt, die sich prinzipiell unterschiedlich orientieren und grob unterteilt werden können in
a. Maßnahmen zur Verbesserung der Abgasqualität
b. Maßnahmen zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs
Aus Relevanzgründen wird an dieser Stelle lediglich auf die den Kraftstoffverbrauch senkenden Maßnahmen eingegangen, die einerseits zur Absenkung der Schadstoffemission beitragen und ohne die andererseits eine Reduktion des CO2- Ausstoßes überhaupt nicht möglich wäre.
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Zwischen dem Kraftstoffverbrauch und der Kohlenstoffdioxidemission besteht somit der Zusammenhang :
1.3.3 Der Kraftstoffverbrauch als bedeutender Kostenfaktor
Eine weitere überaus wichtige Bedeutung des Kraftstoffverbrauchs kann aus der Entwicklung der Kraftstoff- bzw. Rohölpreise der letzten Jahre interpretiert werden. Hierzu sind inBild 1.3.3.1undBild 1.3.3.2die Entwicklungen der Rohölpreise sowie der Kraftstoff - Endverbraucherpreise in Deutschland jeweils für den Zeitraum von 2001 bis 2005 dargestellt.
Bild 1.3.3.1.: Rohölpreise Jan2001 - Sep2005, nach [14]
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Bild 1.3.3.2.: Kraftstoff - Endverbraucherpreise in Deutschland Jan2001 - Sep2005, nach [14]
Die in den Diagrammen dargestellte Entwicklung verdeutlicht die ansteigende finanzielle Belastung der Konsumenten. Zu beobachten ist außerdem die in den letzten zwei Jahren kleiner werdende Preislücke zwischen dem Diesel- und dem Ottokraftstoff.
Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs können somit einerseits den Effekt der ansteigenden Kraftstoffpreise dämpfen oder gar kompensieren und vermindern andererseits in jedem Fall, d.h. kraftstoffpreisunabhängig die finanzielle Beanspruchung der Endverbraucher. Damit ergibt sich eine weitere Bedeutung des Kraftstoffverbrauchs durch den Zusammenhang :
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1.4 Maßnahmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
Bezüglich der erwähnten Umwelt- und Marktsituation verdeutlichen die genannten Gründe(1)-(3)ausAbschnitt 1.3die Notwendigkeit der Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung.
Bei Betrachtung der verschiedenen Einflussfaktoren auf den Kraftstoffverbrauch im folgendenBild 1.4.1wird ersichtlich, dass prinzipiell verschiedene Ansatzpunkte zu dessen Absenkung möglich sind.
Die meisten entwickelten Maßnahmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs konzentrieren sich überwiegend auf die Ansatzpunkte der Fahrzeug- und Motortechnik (linksinBild 1.4.1).So sind dies zum Beispiel Leichtbau, Verbesserung der Aerodynamik, innovative Reifentechnologie, AGR, Nockenwellenverstellung, variable Ventilsteuerung, Ottodirekteinspritzung und andere.
Einen weiteren, sehr großen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat das Verhalten des Fahrers. An verschiedenen Literaturstellen [8, 15] wird hierzu betont, durch angepasstes Fahrerverhalten den Kraftstoffverbrauch um bis zu 20 % und mehr senken zu können. Durch gezielte Fahrerschulungen (z.B.Eco-Training)sind in Einzelfällen Kraftstoffersparnisse von bis zu 42 % erzielbar [15].
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Der hauptsächliche Grund hierfür ist, dass der Fahrer die physikalischen und technischen Gegebenheiten sowie die unterschiedlichen Betriebszustände des Fahrzeugs während einer Fahrt nicht ohne weiteres überblicken kann und sein Fahrzeug daher kaum oder gar nicht wirkungsgradoptimal nutzt. In den meisten Fällen bedient er sein Fahrzeug intuitiv und schöpft dessen Potential entsprechend seiner Wünsche bzw. Anforderungen nicht aus.
1.5 Motivation für einen Verbrauchsassistenten als Fahrerassistenzsystem
In der Wertschöpfung des Automobils nimmt der Anteil an Fahrerassistenzsystemen (FAS) in den letzten Jahren deutlich zu, die unter anderem die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen unterstützen. Durch sowohl aktive als auch passive Beeinflussung des Fahrzeugs oder des Fahrers tragen einige FAS (z.B.Gangassistenten, AGS etc.)bereits direkt oder auch indirekt zur Verbrauchsreduzierung bei [1]. Dennoch besteht großer Handlungsbedarf am Ansatzpunkt „Fahrerverhalten“, da dieser in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch bisher nur wenig und nur indirekt bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen behandelt und berücksichtigt wurde.
Diese Lücke und Problematik motiviert zu dem Thema dieser Diplomarbeit, in der ein Konzept zum Entwurf und zur Regelung eines Verbrauchsassistenten erarbeitet und diskutiert wird.
Als geeignete Schnittstelle soll der Verbrauchsassistent das Ziel verfolgen, dem Fahrer entsprechend seiner Wünsche bzw. Anforderungen durch geeignete Rückmeldung die verbrauchsoptimale Gaspedalstellung zu signalisieren sowie ggf. Schaltvorgänge oder sonstiges verbrauchsoptimales Verhalten zu empfehlen.
Bevor jedoch die Aufgaben und Funktionen des Verbrauchsassistenten formuliert werden, ist es sinnvoll, in den folgenden Kapiteln die wichtigen Zusammenhänge des Kraftstoffverbrauchs anhand motorischer sowie fahrzeugdynamischer Grundlagen zu behandeln.
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2 Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs
Die für einen Verbrauchsassistenten wichtigen Zusammenhänge zwischen dem Fahrerverhalten und dem Kraftstoffverbrauch bzw. Einflüsse des Fahrerverhaltens auf den Kraftstoffverbrauch können zu einem großen Teil auf motorische Grundlagen zurückgeführt werden, die in diesem Kapitel behandelt werden. Dabei werden nur die relevanten Begriffe und Zusammenhänge aufgezeigt und erläutert.
2.1 Motorische Grundlagen und effektive Motorbetriebsdaten
2.1.1 Das Prinzip eines Hubkolben - Verbrennungsmotors
Hubkolben - Verbrennungsmotoren haben das Ziel, die mit dem Kraftstoff zugeführte chemische Energie in Rotationsenergie umzusetzen. Das Prinzip eines Motors ist im folgendenBild 2.1.1.1dargestellt.
Hierbei wird der durch das Zünden der angesaugten und verdichteten Zylinderladung (Kraftstoff- Luft - Gemisch)verursachte auf den Kolben wirkende Druck über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen und steht dort als Rotationsenergie in Form des Motordrehmoments und der Motordrehzahl zur Verfügung.
